CN104237089B - 一种网络传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于IEEE1451.2的测量粉尘浓度的网络传感器，其由四部分组成：前端传感器、智能传感器接口模块、TII接口模块、网络适配器模块，克服了现有传感器上位网络不兼容、前端传感器不互换的缺点，提高了传感器的网络兼容性和互操作性，实现矿井下采集粉尘浓度的网络共享。

Description

一种网络传感器

技术领域

本发明涉及矿山环境检测领域，尤其涉及一种测量煤矿粉尘浓度的网络传感器。

背景技术

粉尘是悬浮在空气中的固体微粒,是保持地球温度的主要因素之一,大气中过多或过少的粉尘都将对环境产生灾难性的影响。但在生活和工作中,生产性粉尘是人类健康的天敌,是诱发多种疾病的主要原因之一,特别是煤矿粉尘，浓度过高，会潜伏着煤尘爆炸的危险，同时会增大矿工患尘肺病的几率。因此,建立智能化、网络化的粉尘检测体系、对粉尘进行多参量智能检测,为职能部门提供更科学、准确的粉尘浓度等参数，对于煤矿进行有效的防尘和控尘，保证煤矿安全生产、防止尘肺病发生和提高环境质量具有重要意义。

目前煤矿的监控系统，其上位机网络端的网络主要采用控制总线，由于控制总线网络的多样性，通信标准千差万别，这种网络之间的互不兼容性大大限制了整个系统的智能化程度，无法实现信息的网络共享，降低了系统的安全可靠性；其下位机采集端的传感器因不同厂家传感器的无互换性与无互操作性，不能实现传感器的即插即用。本发明针对上述现状，提出一种基于IEEE1451.2的粉尘浓度网络传感器，该网络传感器可以克服上述上位网络不兼容、下位传感不互换的缺点，对煤矿测尘控尘意义重大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种网络传感器，利用该发明可以实现煤矿井下采集粉尘浓度的网络共享，解决现有传感器上位网络不兼容、下位传感不互换的缺点，提高了其网络兼容性和互操作性。

一种网络传感器，包括：前端传感器、通过数据线与前端传感器连接的智能传感器接口模块、网络适配器模块、连接智能传感器接口模块和网络适配器的TII接口模块；

网络传感器工作时，前端传感器将接收待测的粉尘浓度转化为模拟的电信号，并将信号送入智能传感器接口模块，模拟信号经智能传感器接口模块内部进行调理和AD转换，转换后的数字信号通过智能传感器处理器进行数据处理并将信息存储到传感器电子数据表单中，网络适配器模块通过TII接口模块对数据进行读取；并由网络适配器处理器进行数据校正；处理结束的数据通过网络接口模块把数据传输到网络。

所述前端传感器包括：金属屏蔽外壳、绝缘管、感应电极。其中：金属屏蔽外壳选用金属铝材料，其上有人机交互部分的开口，分别安装数码管显示模块和键控模块；绝缘管的材料为聚四氟乙烯，绝缘管的两端为通孔式的，其内壁为粉尘颗粒流经的风道；感应电极选用铜片制作，其采用圆环式的结构镶绕在绝缘管的外壁中间位置，在感应电极上有同轴电缆线接到电极上方的硬件系统中。用铝材料将前端传感器的电极与电子电路进行密闭衔接设计，形成一个统一的外壳整体，从而达到电磁屏蔽的效果。

所述的智能传感器接口模块，包括信号调理模块、数字转换模块、传感器电子数据表单和微处理模块，其中信号调理模块包括信号采集放大电路和滤波电路。

所述信号采集放大电路以运算放大器为核心，构成二级放大电路。

第一级放大电路的反馈部分采用T型反馈电阻网络，在反馈回路中并联电容进行电路的频率补偿；

第一级放大电路中，前端传感器信号经过R1后与放大器A1的管脚2连接，电阻R1与电阻R2和电阻R3串联后与放大器A1的管脚6连接，电容C5与电阻R2和电阻R3并联，放大器A1的管脚3与电阻R5连接后接地，放大器A1的管脚4接-5V电源，电容C2一侧与放大器A1的管脚4连接，另一侧接地，放大器A1的管脚7接5V电源，电容C1一侧与放大器A1的管脚7连接，另一侧接地，电阻R4一侧与电阻R2连接，一侧接地。

第二级放大电路采用电压串联负反馈网络；

第二级放大电路中，经第一级放大电路放大的信号与电阻R6连接后与放大器A2的管脚3相连，电阻R7一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧接地，电阻R8一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧与放大器A2的管脚6连接，放大器A2的管脚4接-5V电源，电容C7一侧与放大器A2的管脚4连接，另一侧接地，放大器A2的管脚7接5V电源，电容C6一侧与放大器A2的管脚7连接，另一侧接地，放大器A2的管脚6输出经放大的信号。

所述滤波电路包括巴特沃斯低通滤波电路和50Hz陷波电路。

所述巴特沃斯滤波电路选用二阶低通滤波，截止频率为100Hz；

巴特沃斯低通滤波电路信号经传感信号收集放大电路将信号放大后输入，电路中输入线路连接电阻R9，电阻R9与电阻R10串联后连接放大器A3的管脚3，电容C9一侧连接放大器A3的管脚3，一侧接地，放大器A3的管脚4连接-5V电源，电容C10一侧连接放大器A3的管脚4，一侧接地，放大器A3的管脚2连接电阻R11后接地，电阻R12连接放大器A3的管脚2与放大器A3的管脚6，放大器A3的管脚7连接5V电源，电容C16一侧连接放大器A3的管脚7，另一侧接地，电容C8连接于电阻R9与放大器A3的管脚6之间，信号最终由放大器A3的管脚6输出。

所述50HZ陷波电路选用品质因数Q值可调的有源双T型双跟随电路；

50HZ陷波电路中，信号由巴特沃斯低通滤波电路中放大器A3的管脚6输入，电容C11与电容C12串联，电容C11的另一侧与放大器A3的管脚6连接，电容C12的另一侧与放大器A4的管脚3相连，放大器A3的管脚6与电阻R13和电阻R14串联后连于放大器A4的管脚3上，放大器A4的管脚2与放大器A4的管脚1连接，放大器A4的管脚8连接5V电源，电容C14一侧连于放大器A4的管脚8，另一侧接地，电容C13与电阻R13形成串联关系，电容C13的另一侧连于放大器A5的管脚7处，电阻R15与电容C11形成串联相连接，电阻R15的另一侧与放大器A5的管脚7相连，放大器A5的管脚7与放大器A5的管脚6相连，放大器A5的管脚4连接-4V电源，电容C11一侧与放大器A5的管脚4相连，另一侧接地，放大器A5的管脚5与滑动变阻器Rw滑动侧相连，滑动变阻器Rw一侧接地一侧与放大器A5的管脚1相连，信号经放大器A4的管脚1输出。

所述智能传感器的微处理模块为处理器芯片。

所述的网络适配器模块包括两个通讯接口和微处理模块。

所述的TII接口为RS232接口。

本发明的有益效果是：该网络传感器克服了上位网络不兼容、下位前端传感不互换的缺点，实现了前端传感器的即插即用，对煤矿测尘控尘意义重大。

附图说明

图1所示为本发明的前端传感器的整体结构示意图。

图2所示为网络传感器电路的整体结构示意图。

图3所示为智能传感器接口模块的结构示意图。

图4所示为信号采集放大电路的电路示意图。

图5所示为滤波电路的示意图。

具体实施方式

下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合和相互结合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

图1所示为本发明实施例的前端传感器的整体结构示意图。

前端传感器包括：金属屏蔽外壳4、绝缘管2、感应电极1。其中：金属屏蔽外壳4选用金属铝材料，其上有人机交互部分的开口，分别安装数码管显示模块5和键控模块6；绝缘管2的材料为聚四氟乙烯，绝缘管2的两端为通孔式的，其内壁为粉尘颗粒流经的风道3；感应电极1选用铜片制作，其采用圆环式的结构镶绕在绝缘管2的外壁中间位置，在感应电极1上有同轴电缆线接到电极上方的硬件系统中。用铝材料将前端传感器的电极与电子电路进行密闭衔接设计，形成一个统一的外壳整体，从而达到电磁屏蔽的效果。

图2为本发明网络传感器电路的整体结构示意图。它包括：前端传感器、通过数据线与前端传感器连接的智能传感器接口模块、网络适配器模块、连接智能传感器接口模块和网络适配器的TII接口模块，前端传感器包括多个传感器。网络传感器工作时，首先由前端传感器中的传感器接收待测的粉尘浓度并将粉尘浓度转换为模拟的电信号，然后将电信号送入智能传感器接口模块。模拟信号在智能传感器接口模块内部经信号调理模块和数字转换模块进行放大、滤波调理和AD转换，转换为数字信号后交由智能传感器处理器模块的信号处理模块进行数据处理并将信息存储到传感器电子数据表单中。网络适配器模块通过TII接口获取存储到传感器电子数据表单中的数据，由网络适配器模块的处理器进行必要的数据校正(数据校正过程中需要的校正参数和比例系数都存储在智能传感器接口模块的传感器电子数据表单中，网络适配器模块通过TII接口进行获取)，处理完成后交给通信接口，把数据传输到网络，实现数据的网络共享。其中本实施例中TII接口模块选为RS232模块。

网络适配器模块的核心部分是微处理模块，包括微处理模块和两个通讯接口。网络适配器模块通过相关的译码电路，从TII接口读取存储在智能传感器接口模块存储器中的数据，并根据需要把它按总线编排规则转换成网络传输格式，再发送出去，网络远端的用户通过相应的客户端的软件，来实时的监测网络传感器的工作情况。从网络接收数据时，由网络适配器模块的控制器检测网络上的数据并实现接收，接收完成后，网络适配器模块对数据进行反编排，转换成自己的数据格式，再选通相应的智能传感器接口模块通道，将数据发送到前端传感器，实现对前端传感器数据采集参数的修改或执行器动作的执行。

图3为本发明智能传感器接口模块的结构框图。本发明实施例采用TI公司的TMS320F2812芯片作为核心处理器芯片。在系统进行工作时，先由智能传感器接口模块对前端传感器输出的模拟信号，进行信号的调理和放大，然后输入到F2812内核的ADC，由内核的AD模块将模拟信号转换为数字信号后，再将数据写入存储器中，然后通过RS232接口替代TII接口将数据读入到网络适配器模块，由网络适配器模块将数据传送到网络，实现数据信息的网络共享；智能传感器接口模块与网络适配器模块之间的TII接口由RS232接口替代，复位电路、电源模块、UART、FLASH及外扩FLASH、JTAG接口和外扩RAM为现有技术，在此不再赘述。

图4为本发明的信号采集放大电路的电路图。信号采集放大电路以运算放大器为核心，构成两级放大电路。第一级放大电路选用超低输入偏置电流运算放大器AD549进行设计，其放大电路的反馈部分是由电阻R2、电阻R3、电阻R4组成的T型反馈电阻网络，其既能够实现选用阻值较小的电阻以减小电路的漂移误差，同时又可以得到较大的放大倍数和输入电阻，从而有效地提高了电路的灵敏度和精确度。由于运放的反相端与同相端都存在分布电容，通过反馈电路的电阻会产生极点，从而使电路的相位滞后增大，因而需要进行频率补偿，补偿的方法是在反馈回路中并联电容C5；第二级放大电路选用宽带JFET型运算放大器TL081进行电压串联负反馈网络的设计，实现对采集信号的进一步放大。图1中用放大器A1代表超低输入偏置电流运算放大器AD549，用放大器A2代表宽带JFET型运算放大器TL081。

第一级放大电路中，前端传感器信号经过R1后与放大器A1的管脚2连接，电阻R1与电阻R2和电阻R3串联后与放大器A1的管脚6连接，电容C5与电阻R2和电阻R3并联，放大器A1的管脚3与电阻R5连接后接地，放大器A1的管脚4接-5V电源，电容C2一侧与放大器A1的管脚4连接，另一侧接地，放大器A1的管脚7接5V电源，电容C1一侧与放大器A1的管脚7连接，另一侧接地，电阻R4一侧与电阻R2连接，一侧接地。

第二级放大电路中，经第一级放大电路放大的信号与电阻R6连接后与放大器A2的管脚3相连，电阻R7一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧接地，电阻R8一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧与放大器A2的管脚6连接，放大器A2的管脚4接-5V电源，电容C7一侧与放大器A2的管脚4连接，另一侧接地，放大器A2的管脚7接5V电源，电容C6一侧与放大器A2的管脚7连接，另一侧接地，放大器A2的管脚6输出经放大的信号。

图5为本发明的信号滤波电路的电路图。滤波电路由巴特沃斯低通滤波电路与50Hz陷波电路组成，巴特沃斯低通滤波电路选用二阶低通滤波，截止频率为100Hz，当输入信号的频率比较低的时候，输出电压虽然是最大，但反馈电容C8相当于断路，当输入电压的频率增加到某频率时，反馈电容C8的阻抗降低，在电路中为保证电路的稳定性，R11、R12需要满足一定的数量关系。巴特沃斯低通滤波电路信号经传感信号收集放大电路将信号放大后输入，电路中输入线路连接电阻R9，电阻R9与电阻R10串联后连接放大器A3的管脚3，电容C9一侧连接放大器A3的管脚3，一侧接地，放大器A3的管脚4连接-5V电源，电容C10一侧连接放大器A3的管脚4，一侧接地，放大器A3的管脚2连接电阻R11后接地，电阻R12连接放大器A3的管脚2与放大器A3的管脚6，放大器A3的管脚7连接5V电源，电容C16一侧连接放大器A3的管脚7，另一侧接地，电容C8连接于电阻R9与放大器A3的管脚6之间，信号最终由放大器A3的管脚6输出。

陷波电路设计为Q值可调的有源双T型双跟随电路，运算放大器选用JFET型双运算放大器TL082，图5中用放大器A4和A5表示。双T陷波网络要求C11＝C12＝C，C13＝2C，R13＝R14＝R，R15＝R/2，这种对称关系使得对应于ω0的频率信号互相抵消,直至衰减到零。TL082_PartA的输出作为整个电路的输出，TL082_PartB用作电压跟随器，与输出端组成电压反馈电路。50HZ陷波电路中，信号由巴特沃斯低通滤波电路中放大器A3的管脚6输入，电容C11与电容C12串联，电容C11的另一侧与放大器A3的管脚6连接，电容C12的另一侧与放大器A4的管脚3相连，放大器A3的管脚6与电阻R13和电阻R14串联后连于放大器A4的管脚3上，放大器A4的管脚2与放大器A4的管脚1连接，放大器A4的管脚8连接5V电源，电容C14一侧连于放大器A4的管脚8，另一侧接地，电容C13与电阻R13形成串联关系，电容C13的另一侧连于放大器A5的管脚7处，电阻R15与电容C11形成串联相连接，电阻R15的另一侧与放大器A5的管脚7相连，放大器A5的管脚7与放大器A5的管脚6相连，放大器A5的管脚4连接-4V电源，电容C11一侧与放大器A5的管脚4相连，另一侧接地，放大器A5的管脚5与滑动变阻器Rw滑动侧相连，滑动变阻器Rw一侧接地一侧与放大器A5的管脚1相连，信号经放大器A4的管脚1输出。

所述智能传感器的微处理模块采用TI公司的TMS320F2812作为核心处理器芯片。

本发明提出一种基于IEEE1451.2的粉尘浓度网络传感器，该网络传感器克服上位网络不兼容、下位前段传感器不互换的缺点，实现了前端传感器的即插即用，对煤矿测尘控尘意义重大。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (1)

1.一种网络传感器，其特征在于，包括：前端传感器、通过数据线与前端传感器连接的智能传感器接口模块、网络适配器模块、连接智能传感器接口模块和网络适配器的TII接口模块；

网络传感器工作时，前端传感器将接收待测的粉尘浓度转化为模拟的电信号，并将信号送入智能传感器接口模块，模拟信号经智能传感器接口模块内部进行调理和AD转换，转换后的数字信号通过智能传感器处理器进行数据处理并将信息存储到传感器电子数据表单中，网络适配器模块通过TII接口模块对数据进行读取；并由网络适配器处理器进行数据校正；处理结束的数据通过网络接口模块把数据传输到网络；

所述前端传感器包括：金属屏蔽外壳、绝缘管、感应电极，其中：金属屏蔽外壳选用金属铝材料，其上有人机交互部分的开口，分别安装数码管显示模块和键控模块；绝缘管的材料为聚四氟乙烯，绝缘管的两端为通孔式的，其内壁为粉尘颗粒流经的风道；感应电极选用铜片制作，其采用圆环式的结构镶绕在绝缘管的外壁中间位置，在感应电极上有同轴电缆线接到电极上方的硬件系统中，用铝材料将前端传感器的电极与电子电路进行密闭衔接设计，形成一个统一的外壳整体，从而达到电磁屏蔽的效果；

所述的智能传感器接口模块，包括信号调理模块、数字转换模块、传感器电子数据表单和微处理模块，其中信号调理模块包括信号采集放大电路和滤波电路；

所述信号采集放大电路以运算放大器为核心，构成二级放大电路；

第一级放大电路的反馈部分采用T型反馈电阻网络，在反馈回路中并联电容进行电路的频率补偿；

第一级放大电路中，前端传感器信号经过R1后与放大器A1的管脚2连接，电阻R1与电阻R2和电阻R3串联后与放大器A1的管脚6连接，电容C5与电阻R2和电阻R3并联，放大器A1的管脚3与电阻R5连接后接地，放大器A1的管脚4接-5V电源，电容C2一侧与放大器A1的管脚4连接，另一侧接地，放大器A1的管脚7接5V电源，电容C1一侧与放大器A1的管脚7连接，另一侧接地，电阻R4一侧与电阻R2连接，一侧接地；

第二级放大电路采用电压串联负反馈网络；

第二级放大电路中，经第一级放大电路放大的信号与电阻R6连接后与放大器A2的管脚3相连，电阻R7一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧接地，电阻R8一侧与放大器A2的管脚2连接，一侧与放大器A2的管脚6连接，放大器A2的管脚4接-5V电源，电容C7一侧与放大器A2的管脚4连接，另一侧接地，放大器A2的管脚7接5V电源，电容C6一侧与放大器A2的管脚7连接，另一侧接地，放大器A2的管脚6输出经放大的信号；

所述滤波电路包括巴特沃斯低通滤波电路和50Hz陷波电路；

所述巴特沃斯低通滤波电路选用二阶低通滤波，截止频率为100Hz；

巴特沃斯低通滤波电路信号经传感信号收集放大电路将信号放大后输入，电路中输入线路连接电阻R9，电阻R9与电阻R10串联后连接放大器A3的管脚3，电容C9一侧连接放大器A3的管脚3，一侧接地，放大器A3的管脚4连接-5V电源，电容C10一侧连接放大器A3的管脚4，一侧接地，放大器A3的管脚2 连接电阻R11后接地，电阻R12连接放大器A3的管脚2与放大器A3的管脚6，放大器A3的管脚7连接5V电源，电容C16一侧连接放大器A3的管脚7，另一侧接地，电容C8连接于电阻R9与放大器A3的管脚6之间，信号最终由放大器A3的管脚6输出；

所述50HZ陷波电路选用品质因数Q值可调的有源双T型双跟随电路；

50HZ陷波电路中，信号由巴特沃斯低通滤波电路中放大器A3的管脚6输入，电容C11与电容C12串联，电容C11的另一侧与放大器A3的管脚6连接，电容C12的另一侧与放大器A4的管脚3相连，放大器A3的管脚6与电阻R13和电阻R14串联后连于放大器A4的管脚3上，放大器A4的管脚2与放大器A4的管脚1连接，放大器A4的管脚8连接5V电源，电容C14一侧连于放大器A4的管脚8，另一侧接地，电容C13与电阻R13形成串联关系，电容C13的另一侧连于放大器A5的管脚7处，电阻R15与电容C11形成串联相连接，电阻R15的另一侧与放大器A5的管脚7相连，放大器A5的管脚7与放大器A5的管脚6相连，放大器A5的管脚4连接-4V电源，电容C11一侧与放大器A5的管脚4相连，另一侧接地，放大器A5的管脚5与滑动变阻器Rw滑动侧相连，滑动变阻器Rw一侧接地一侧与放大器A5的管脚1相连，信号经放大器A4的管脚1输出；

所述智能传感器的微处理模块为处理器芯片；

所述的网络适配器模块包括两个通讯接口和微处理模块；

所述的TII接口为RS232接口。